亚波长空气孔传光的新型空芯光子晶体光纤设计、制备及特性研究

A new hollow photonic crystal fibers with a subwavelength air hole in the core are proposed. The relation of mode field distributions, confinement loss and dispersion characteristics with fiber structure parameters and wavelengths is analyzed by finite-element method. For the fiber with low loss, single-mode, tightly confined light in the air core, the ranges of structure parameters and wavelengths can be obtained. Gas processing method in fiber preforms is researched, the relation of air hole deformation with fiber drawing velocity and temperature distribution is simulated, photonic crystal fibers with a nanometer air hole can be fabricated. The mode field distribution, loss, dispersion, and nonlinear optical properties of the air core are measured. The physical mechanism of guiding light in low refractive index, subwavelength air hole is studied, to analysis the boundary conditions of electromagnetic field, get its the modes and existing states, and provide theory instruction for the optical transmission of new low refractive index material and high-density integrated photonic devices. Filling something in the air core, such as carbon tetrachloride, methane, sulfur dioxide, carbon dioxide, helium, neon, to study the long-distance interaction of light and the tested substance, get new physical phenomena which cannot generate in the weak light excitation, and explore the application of the new hollow fiber in nonlinear optics, fiber sensing and fiber lasers.

提出了一种亚波长空气孔传光的新型空芯光子晶体光纤，利用有限元方法分析其模场分布、损耗及色散特性随光纤结构参数及波长的变化规律，得到亚波长空气孔低损耗、高强度、单模传输时，光纤结构参数及波长的取值范围。研究光纤预制棒内气体的处理方法，对光纤拉制速度、温度场分布、空气孔形变之间的关系进行理论模拟，制备出所设计的纳米级空气孔的光子晶体光纤。对纤芯微小空气孔传光的模场分布、损耗、色散及非线性等光学特性进行标定。根据隧道效应和微孔内速逝波相干耦合理论,对低折射率亚波长空气孔传光的物理机理进行研究，得到其传光模式及存在状态，为新型低折射率材料中光传输及高密度光子集成器件的研究奠定基础。在纤芯空气孔中充入四氯化碳、甲烷、二氧化硫、二氧化碳、氦氖等物质，研究强光与被测物质的长距离相互作用，得到以前弱光激发不能产生的新型物理现象，探索新型空芯光纤在非线性光学、光纤传感及光纤激光器方面的应用前景。

强激光与气体的长距离相互作用能产生许多新奇的物理效应，而自由空间光束的自聚焦、衍射、散射等问题限制了该科技领域的发展。本项目提出一种新型空芯光子晶体光纤(PCF)，纤芯中心亚波长、低折射率空气孔可以长距离、强光传输。利用有限元方法分析了其模场分布、宽带单模、损耗及色散等特性随光纤结构参数及波长的变化规律，得到纤芯中心亚波长空气孔低损耗、高强度、单模传输时，光纤结构参数及波长的取值范围，设计出了限制损耗小于0.001dB/km、纤芯空气孔模场能量比例大于20%的新型空芯光纤。. 研究了光纤预制棒内气体的控制方法，对光纤拉制的温度场分布、拉制速度、空气孔形变之间的关系进行分析；根据所设计的光纤结构，利用堆积法制备光纤预制棒，通过拉丝塔拉制出了十余种纤芯带有微小空气孔的新型空芯光子晶体光纤。利用高倍显微镜对所制备的光子晶体光纤几何参数进行了标定，对纤芯微小空气孔传光的模场分布、损耗、色散及非线性等光学特性进行了分析；获得了具有四个零色散波长的新型色散曲线，给出了相位匹配曲线；利用飞秒激光进行了非线性光学实验，获得了光孤子、四波混频、宽带色散波等新型非线性效应。. 利用速逝波耦合效应, 分析了纤芯亚波长低折射率空气孔的传光机理；利用在电介质分界面的电场的不连续, 分析了低折射率的空气孔中光强增强；获得了低折射率微小空气孔传光的物理本质，为新型低折射率材料中光传输及高密度光子集成器件的研究提供参考。. 在纤芯空气孔中充入了氩气，研究了强光与被测物质的长距离相互作用，得到气体的四波混频、自相位调制、拉曼散射等新型非线性效应，为空芯光纤在非线性光学、气体传感、量子光学、新型激光器、光通信器件等领域的应用奠定了基础。